Predictief onderhoud aan zuigercompressoren

zuigercompressor rod drop

Om de conditie van zuigercompressoren, ook wel reciproke compressoren genoemd, te monitoren zijn een lange tijd traditionele vibratie meetmethoden gebruikt. Deze bleken al snel niet betrouwbaar te zijn voor deze machines. Om deze reden zijn er technieken ontwikkeld die specifiek geschikt zijn voor zuigercompressoren.

Eén hiervan is rod-drop monitoring, waarbij de daling (drop) van de zuigerstang (rod) gemonitord wordt ten gevolge van slijtage aan de rider band. Een rider band is het onderdeel wat ervoor zorgt dat de zuiger door de cilinderkamer glijdt zonder de cilinderwand te beschadigen. Naar verloop van tijd zal deze rider band versleten raken, waarna het vervangen moet worden om schade aan de zuiger en cilinder te voorkomen. Door de daling van de zuigerstang te monitoren, kan worden bepaald wanneer de rider band vervangen dient te worden, voordat er schade ontstaat. Hiermee draagt rod-drop monitoring bij aan condition based maintenance (CBM), ofwel predictief onderhoud.

zuigercompressorAfbeelding 1. Schematische weergave van belangrijke onderdelen voor de rod-drop metingen.

Rod-drop metingen

Rod drop monitoring wordt toegepast op zuigercompressoren welke gebruik maken van rider bands om de zuiger in de cilinder te ondersteunen. Het doel van rod-drop monitoring is om de slijtage van de rider band vast te stellen. Slijtage hiervan kan namelijk leiden tot contact tussen de zuiger en de cilinderwand, met schade als gevolg. Het tijdig detecteren hiervan geeft de operator de tijd om de machine af te schakelen voordat er schade optreedt. Om de slijtage vast te stellen moet de positie (t.o.v. het referentiepunt) van de zuiger worden gemonitord. Het meten van de positie van de zuiger echter is lastig vanwege de hoge druk in de drukkamer. Daarom wordt de positie van de zuigerstang gemeten, welke veel toegankelijker is. Rod-drop monitoring geeft informatie over de conditie van de rider band, door veranderingen van de positie van de zuigerstang te monitoren.

Methoden

Er worden doorgaans twee primaire methoden onderscheiden voor rod-drop metingen:

Proximity probe metingen

Bij proximity probe metingen wordt de probe verticaal boven of onder de zuigerstang gemonteerd. Een proximity probe werkt op basis van eddy current technologie, waarmee het de afstand tussen de sensor en een metaal object meet. In het geval van een rod-drop meting is dat de afstand tussen de sensor en de zuigerstang. Wanneer de zuigerstang relatief aan de sensor beweegt, wordt de verandering in afstand (positie van de zuigerstang) gedetecteerd. Deze meting maakt het mogelijk om de positie van de zuigerstang vast te stellen, waarmee in de loop van de tijd een trend van kan worden gemaakt. Deze trend is het mogelijk om te voorspellen wanneer de rider bands aan vervanging toe zijn.

Mechanische metingen

Er worden doorgaans twee mechanische methoden onderscheiden voor rod-drop monitoring. De eerste methode maakt gebruik van een blok afslijtbaar materiaal met aan de binnenkant een ruimte waar stikstof in zit. Dit blok wordt onder de zuigerstang geplaatst. Wanneer de zuigerstang daalt, als gevolg van rider band slijtage, zal dit materiaal afslijten tot een punt waar stikstof ontsnapt, wat doormiddel van een toevoer in het blok materiaal zit. Dit lek wordt gedetecteerd als een daling in de druk toevoer, wat leidt tot een alarm of directe afschakeling van de machine.

De tweede mechanische methode betreft een soort roller die onder de zuigerstang gemonteerd wordt. Wanneer de rider band slijt zakt de zuigerstang langzamerhand tot een punt waar het tegen de roller aan komt. Bij contact tussen de zuigerstang en de roller zal de roller gaan draaien waardoor, net als bij de andere mechanische methode, stikstof ontsnapt. Dit wordt gedetecteerd als een daling in de druk toevoer, wat leidt tot een alarm of directe afschakeling van de machine.

Het grootste nadeel van beide mechanische systemen is dat er geen trend informatie beschikbaar is. Er zal slechts een alarm getriggerd worden wanneer de rider band versleten is, maar er wordt dus geen indicatie gegeven van de mate waarin de rider band versleten is. Bij een proximity sensor is dit wel het geval; er kan een trend worden gezien, wat een betere onderhoudsplanning mogelijk maakt.

Uitgangspunten

Er zijn enkele uitgangspunten waaraan voldaan moet worden om een betrouwbare rod-drop meting te verkrijgen. Het basis uitgangspunt van rod-drop monitoring is dat de zuiger door zwaartekracht op de bodem van de cilinder leunt. Hierdoor kan worden aangenomen dat een verandering in de positie van de zuigerstang (waar de meting gedaan wordt) evenredig is aan de verandering in de positie van de zuiger, als gevolg van de slijtage van de rider band. Ook moet ervan worden uitgegaan dat het enige dat de positie van de zuigerstang verandert het effect van de versleten rider band is.

De aanname dat de verandering in de positie van de zuigerstang evenredig is aan de verandering van de positie van de zuiger komt voort uit het principe van gelijkvormigheid (gelijke driehoeken). Dit principe wordt schematische weergeven op de onderstaande afbeelding.

zuigercompressor gelijkvormigheid

Afbeelding 2. Schematische weergave van het principe van gelijkvormigheid bij een zuigercompressor.

Wanneer er een proximity probe gebruikt wordt voor rod-drop metingen, kan de meting gecorrigeerd worden met een bepaalde correctiefactor. Deze correctiefactor wordt gebaseerd op de ratio die blijkt uit het verschil tussen de gemeten daling van de zuigerstang (B1) en de daadwerkelijke daling van de zuiger (B2). Door deze correctiefactor toe te passen op de rod-drop meting zal de daadwerkelijke rider band slijtage blijken. Het toepassen van een dergelijke correctiefactor kan echter problemen opleveren. Wanneer een meetfout zich voordoet zal deze foute meetwaarde vermenigvuldigd worden met de correctiefactor, waardoor er een verkeerd beeld ontstaat van de rider band slijtage. Het is dus van groot belang dat er betrouwbare metingen worden gedaan. Er worden achtereenvolgens een aantal factoren besproken die van invloed zijn op de betrouwbaarheid van rod-drop metingen.

Installatie en applicatie; waar moet je op letten?

Sensor montage

Het is zeer belangrijk dat de sensor zo dicht mogelijk bij cilinder wordt gemonteerd. Dit geldt voor zowel proximity sensoren als mechanische sensoren. Hiermee wordt het effect dat ontstaat bij het toepassen van de eerder genoemde correctiefactor op een meetfout tot een minimum beperkt. Hoe dichter de sensor bij de zuiger gemonteerd wordt, des te minder impact meetfouten zullen hebben.

Warmte-uitzetting van de zuiger

Voor grote zuigers kan de warmte-uitzetting, in de periode tussen een koude shutdown en een actief proces, significant verschillen. Het wordt dan ook aangeraden om de cilinderuitlijning laag op de crosshead uit te lijnen zodat er ruimte is voor de uitzetting Daarnaast zijn de cilinders extra groot zodat de zuigers de ruimte hebben om uit te zetten. Zodra de zuiger radiaal uitzet bij opwarming, zal de zuigerstang, relatief aan de rod-drop sensor, omhoog getild worden. Hiermee dient men rekening te houden bij het installeren en het bepalen van de positie van het rod-drop systeem.

Zwevende zuiger

Bij zuigers met een kleine diameter is de aanname dat de zuiger door zwaartekracht op de bodem van de cilinder leunt, geen realistische aanname. Bij zuigers met een kleine diameter (kleiner dan 150 mm) bevindt een groot deel van de zuigerstang zich in de cilinder casing. Onjuiste uitlijning of effecten op de cilinder casing kunnen leiden tot een zwevende zuiger. De radiale krachten werken de zuiger niet naar beneden, maar een combinatie van krachten duwen de zuiger omhoog of opzij. Als dit zich voordoet kan er gekozen worden om twee proximity probes te plaatsen waarbij één horizontaal meet en de ander verticaal (X-Y probes).

Flexibele zuigerstang

Ook de lengte van de zuigerstang kan invloed hebben op de meting. Hoe langer de zuigerstang is, des te meer kans dat deze in zekere mate flexibel is. Dit is vooral het geval bij zuigers met een grote diameter. Wanneer deze flexibiliteit zodanig groot is, kan het ervoor zorgen de rod-drop meting wordt beïnvloed. Om het effect van zuigerstang flexibiliteit op de rod-drop meting te verminderen kan het signaal van de proximity probe op een vast punt tijdens de omwenteling van de krukas gemeten. Dit noemt men ook wel phase-triggered; er wordt een fase-referentie ingesteld waarop de meting getriggered wordt.

Proximity probe applicatie

Het is belangrijk dat de probe op zodanige wijze gemonteerd wordt dat het niet onderhevig is aan warmte-uitzetting of vibratie. Als de probe relatief aan de zuigerstang beweegt, maakt dit de meting onbetrouwbaar. Daarnaast is het voor zuigers met een grote diameter belangrijk om een probe te plaatsen die een groter bereik heeft. Wanneer er dan sprake is van warmte-uitzetting zal de zuigerstang niet uit het bereik van de proximity probe bewegen.

Triggered Rod-Drop Module – IST 500

De twee-kanaals Triggered Rod-Drop Module (IST-500) is door Istec International ontwikkeld en is geschikt voor het bewaken van de rider band(s) van de zuiger van een zuigercompressor.

De horizontale zuigers zijn omringd met een rider band welke ervoor zorgt dat de zuiger geen contact maakt met de cilinderwand. Door de wrijving zal de rider band echter langzaam slijten en om te weten wanneer deze aan vervanging toe is, is het noodzakelijk om de daling van de zuigerstang (rod-drop) te monitoren. Door middel van rod-drop monitoring kan onderhoud aan de cilinders beter worden ingepland waarmee onverwachte kosten en downtime worden vermeden.

De IST-500 is een twee-kanaals transmitter die het uitgangssignaal van een tachometer gebruikt als fase referentie. “Triggered” houdt in dat de rod-drop meting plaatsvindt op één bepaald punt in de omwenteling van de krukas. Hierdoor kan op termijn een betrouwbare trend worden gemaakt. Veel bestaande rod-drop systemen zijn onderdeel van een groter systeem dat geschikt is voor grote applicaties, en vergen daardoor een kosten-intensieve investering. De IST-500 is daarentegen zeer kosten-efficiënt en daarmee toepasbaar op zowel kleine, middelgrote, als grote applicaties.